Wat is die werkbeginsel van X-straallaser? As gevolg van die hoë wins in die generasiemedium, die kort boonste toestandleeftye (1-100 ps), en die probleme wat verband hou met die bou van spieëls wat die strale kan weerkaats, werk hierdie lasers tipies sonder spieëls. Die X-straalstraal word gegenereer deur 'n enkele deurgang deur die versterkingsmedium. Die uitgestraalde straling gebaseer op die versterkte spontane bundel het 'n relatief lae ruimtelike koherensie. Lees die artikel tot die einde en jy sal verstaan dat dit 'n X-straal laser is. Hierdie toestel is baie prakties en uniek in sy struktuur.
Kernele in die meganismestruktuur
Aangesien konvensionele laseroorgange tussen sigbare en elektroniese of vibrasietoestande ooreenstem met energieë tot 10 eV, word verskillende aktiewe media vir X-straallasers benodig. Weereens kan verskeie aktief gelaaide kerne hiervoor gebruik word.
wapens
Tussen 1978 en 1988 in die Excalibur-projekDie Amerikaanse weermag het gepoog om 'n kernplofbare X-straallaser vir missielverdediging te ontwikkel as deel van die Star Wars Strategic Defense Initiative (SDI). Die projek het egter te duur geblyk te wees, gesloer en is uiteindelik afgeskaf.
Plasmamedia in 'n laser
Die media wat die meeste gebruik word, sluit hoogs geïoniseerde plasma in wat geskep word in 'n kapillêre ontlading of wanneer 'n lineêr gefokusde optiese pols 'n soliede teiken tref. Volgens die Saha-ionisasievergelyking is die mees stabiele elektronkonfigurasies neon, met 10 elektrone oor, en nikkelagtig, met 28 elektrone. Elektronoorgange in hoogs geïoniseerde plasmas stem tipies ooreen met energieë in die orde van honderde elektronvolts (eV).
'n Alternatiewe versterkingsmedium is die relativistiese elektronstraal van 'n X-straalvrye elektronlaser, wat gestimuleerde Compton-verstrooiing in plaas van standaardstraling gebruik.
Aansoek
Koherente X-stra altoepassings sluit in koherente diffraksiebeelding, digte plasma (ondeursigtig tot sigbare bestraling), X-straalmikroskopie, fase-opgeloste mediese beelding, materiaaloppervlakondersoek en wapenisering.
Lichter weergawe van die laser kan gebruik word vir ablatiewe laserbeweging.
X-straallaser: hoe dit werk
Hoe werk lasers? As gevolg van die feit dat die foton'n atoom met 'n sekere energie tref, kan jy die atoom 'n foton met daardie energie laat uitstraal in 'n proses wat gestimuleerde emissie genoem word. Deur hierdie proses op groot skaal te herhaal, sal jy 'n kettingreaksie kry wat 'n laser tot gevolg het. Sommige kwantumknope veroorsaak egter dat hierdie proses stop, aangesien 'n foton soms geabsorbeer word sonder om enigsins vrygestel te word. Maar om maksimum kanse te verseker, word fotonenergievlakke verhoog en word spieëls parallel met die ligpad geplaas om die verstrooide fotone te help om weer in die spel te kom. En by hoë energieë van X-strale word spesiale fisiese wette gevind wat inherent is aan hierdie spesifieke verskynsel.
Geskiedenis
In die vroeë 1970's het die X-straallaser buite bereik gelyk, aangesien die meeste lasers van die dag 'n hoogtepunt bereik het by 110 nm, ver onder die grootste X-strale. Dit was omdat die hoeveelheid energie wat benodig word om die gestimuleerde materiaal te produseer so hoog was dat dit in 'n vinnige pols afgelewer moes word, wat die reflektiwiteit wat nodig is om 'n kragtige laser te skep, verder bemoeilik het. Daarom het wetenskaplikes na die plasma gekyk, want dit het soos 'n goeie geleidingsmedium gelyk. 'n Span wetenskaplikes in 1972 het beweer dat hulle uiteindelik die gebruik van plasma in die skepping van lasers bereik het, maar toe hulle hul vorige resultate probeer weergee het, het hulle om een of ander rede misluk.
In die 1980's het 'n groot speler van die wêreld by die navorsingspan aangesluitWetenskap - Livermore. Wetenskaplikes maak intussen al jare lank klein maar belangrike treë, maar nadat die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) opgehou het om vir X-stralenavorsing te betaal, het Livermore die leier van die wetenskaplike span geword. Hy het die ontwikkeling van verskeie soorte lasers gelei, insluitend dié wat op samesmelting gebaseer is. Hul kernwapenprogram was belowend, want die hoë-energie-aanwysers wat wetenskaplikes tydens hierdie program behaal het, het gedui op die moontlikheid om 'n hoë-geh alte gepulste meganisme te skep wat nuttig sou wees in die konstruksie van 'n X-straalvrye elektronlaser.
Die projek het geleidelik voltooiing nader. Wetenskaplikes George Chaplin en Lowell Wood het eers in die 1970's samesmeltingstegnologie vir X-straallasers ondersoek en toe na 'n kernopsie oorgeskakel. Saam het hulle so 'n meganisme ontwikkel en was gereed vir toetsing op 13 September 1978, maar toerusting mislukking het dit kortgeknip. Maar miskien was dit vir die beste. Peter Hagelstein het 'n ander benadering geskep nadat hy die vorige meganisme bestudeer het, en op 14 November 1980 het twee eksperimente bewys dat die prototipe X-straallaser werk.
Star Wars Project
Baie gou het die Amerikaanse departement van verdediging in die projek belanggestel. Ja, die gebruik van die krag van 'n kernwapen in 'n gefokusde straal is te gevaarlik, maar daardie krag kan gebruik word om interkontinentale ballistiese missiele (ICBM's) in die lug te vernietig. Dit sal die gerieflikste wees om 'n soortgelyke meganisme op die naby-aarde te gebruikwentelbaan. Die hele wêreld ken hierdie program genaamd Star Wars. Die projek om die X-straallaser as 'n wapen te gebruik het egter nooit tot stand gekom nie.
Die uitgawe van 23 Februarie 1981 van Aviation Week and Space Engineering rapporteer die resultate van die eerste toetse van die projek, insluitend 'n laserstraal wat 1,4 nanometer bereik het en 50 verskillende teikens getref het.
Toetse gedateer 26 Maart 1983 het niks opgelewer as gevolg van sensoronderbreking nie. Die volgende toetse op 16 Desember 1983 het egter sy ware vermoëns gedemonstreer.
Verdere lot van die projek
Hagelstein het 'n tweestap-proses in die vooruitsig gestel waarin 'n laser 'n plasma sou skep wat gelaaide fotone sou vrystel wat met elektrone in 'n ander materiaal sou bots en veroorsaak dat X-strale uitgestraal word. Verskeie opstellings is probeer, maar uiteindelik was ioonmanipulasie die beste oplossing. Die plasma het die elektrone verwyder totdat net 10 binneste oorgebly het, waar die fotone hulle dan tot die 3p-toestand gelaai het, en sodoende die "sagte" straal vrygestel het. 'n Eksperiment op 13 Julie 1984 het bewys dat dit meer as teorie was toe 'n spektrometer sterk emissies gemeet het by 20,6 en 20,9 nanometer selenium ('n neonagtige ioon). Toe verskyn die eerste laboratorium (nie militêre) X-straallaser met die naam Novette.
Die lot van Novette
Hierdie laser is ontwerp deur Jim Dunn en het fisiese aspekte gehad wat deur Al Osterheld en Slava Shlyaptsev geverifieer is. Gebruik vinnig(naby nanosekonde) pols van hoë-energie lig wat die deeltjies gelaai het om X-strale vry te stel, Novett het ook glasversterkers gebruik, wat doeltreffendheid verbeter maar ook vinnig verhit, wat beteken dat dit net 6 keer per dag tussen afkoelings kan hardloop. Maar sommige werk het getoon dat dit 'n pikosekonde-puls kan afvuur terwyl die kompressie terugkeer na 'n nanosekonde-puls. Andersins sal die glasversterker vernietig word. Dit is belangrik om daarop te let dat Novette en ander "lessenaar" X-straallasers "sagte" X-straalstrale produseer, wat 'n langer golflengte het, wat verhoed dat die straal deur baie materiale beweeg, maar insig gee in legerings en plasma, aangesien dit skyn maklik deur hulle.
Ander gebruike en kenmerke van werking
So waarvoor kan hierdie laser gebruik word? Daar is voorheen opgemerk dat 'n korter golflengte dit makliker kan maak om sommige materiale te ondersoek, maar dit is nie die enigste toepassing nie. Wanneer 'n teiken deur 'n impuls getref word, word dit eenvoudig vernietig in atoomdeeltjies, en die temperatuur bereik terselfdertyd miljoene grade in net 'n triljoenste van 'n sekonde. En as hierdie temperatuur genoeg is, sal die laser die elektrone van binne laat afdop. Dit is omdat die laagste vlak van elektronorbitale die teenwoordigheid van ten minste twee elektrone impliseer, wat uit die energie wat deur X-strale gegenereer word, uitgestoot word.
Die tyd wat dit neem vir 'n atoom omal sy elektrone verloor het, is in die orde van 'n paar femtosekondes. Die resulterende kern vertoef nie lank nie en gaan vinnig oor na 'n plasmatoestand bekend as "warm digte materie", wat meestal in kernreaktore en die kerne van groot planete gevind word. Deur met die laser te eksperimenteer, kan ons 'n idee kry van beide prosesse, wat verskillende vorme van kernfusie is.
Die gebruik van die X-straallaser is werklik universeel. Nog 'n nuttige kenmerk van hierdie X-strale is die gebruik daarvan met sinkrotrone of deeltjies wat langs die hele pad van die versneller versnel. Op grond van hoeveel energie dit verg om hierdie pad te maak, kan die deeltjies straling uitstraal. Byvoorbeeld, elektrone, wanneer dit opgewek word, straal X-strale uit, wat 'n golflengte het omtrent die grootte van 'n atoom. Dan kan ons die eienskappe van hierdie atome bestudeer deur interaksie met X-strale. Daarbenewens kan ons die energie van die elektrone verander en verskillende golflengtes van X-strale verkry, wat groter diepte van analise verkry.
Dit is egter baie moeilik om 'n X-straallaser met jou eie hande te skep. Die struktuur daarvan is uiters kompleks, selfs vanuit die oogpunt van ervare fisici.
In biologie
Selfs bioloë kon baat vind by x-straallasers (kerngepomp). Hul bestraling kan help om aspekte van fotosintese te openbaar wat voorheen aan die wetenskap onbekend was. Hulle vang subtiele veranderinge in plantblare. Lang golflengtes van sagte X-straal laserstrale laat jou toe om te verken sonder om alles wat te vernietigvind binne die plant plaas. Die nanokristal-inspuiter aktiveer fotosel I, die proteïensleutel tot fotosintese wat nodig is om dit te aktiveer. Dit word onderskep deur 'n laserstraal van X-strale, wat die kristal letterlik laat ontplof.
As bogenoemde eksperimente voortgaan om suksesvol te wees, sal mense die geheimenisse van die natuur kan ontrafel, en kunsmatige fotosintese kan 'n werklikheid word. Dit sal ook die vraag na vore bring oor die moontlikheid van meer doeltreffende gebruik van sonenergie, wat die opkoms van wetenskaplike projekte vir baie jare sal uitlok.
Magnete
Wat van 'n elektroniese magneet? Die wetenskaplikes het gevind dat wanneer hulle xenonatome en jodiumbeperkte molekules deur 'n hoëkrag X-straal getref het, die atome hul binneste elektrone afgegooi het, wat 'n leemte tussen die kern en die buitenste elektrone geskep het. Aantreklike kragte het hierdie elektrone in beweging gebring. Normaalweg behoort dit nie te gebeur nie, maar as gevolg van die skielike val van elektrone, vind 'n te "gelaaide" situasie op atoomvlak plaas. Wetenskaplikes dink die laser kan in beeldverwerking gebruik word.
Giant X-ray laser Xfel
Gehuisves by die Amerikaanse nasionale versnellerlaboratorium, spesifiek by die linac, gebruik hierdie 3 500 voet laser verskeie vernuftige toestelle om teikens met harde X-strale te tref. Hier is 'n paar van die komponente van een van die kragtigste lasers (afkortings en anglisismes staan vir die komponente van die meganisme):
- Drive Laser - skep'n ultravioletpuls wat elektrone uit die katode verwyder. Stel elektrone uit tot 'n energievlak van 12 miljard eW deur die elektriese veld te manipuleer. Daar is ook 'n S-vormige versneller binne die beweging genaamd Bunch Compressor 1.
- Bunch Compressor 2 - dieselfde konsep as Bunch 1 maar langer S-vormige struktuur, verhoog as gevolg van hoër energieë.
- Transport Hall - laat jou toe om seker te maak dat die elektrone geskik is om pulse te fokus deur magnetiese velde te gebruik.
- Undulator Hall - Bestaan uit magnete wat veroorsaak dat elektrone heen en weer beweeg en sodoende hoë-energie x-strale opwek.
- Beam Dump is 'n magneet wat elektrone verwyder, maar X-strale deurlaat sonder om te beweeg.
- LCLS-eksperimentele stasie is 'n spesiale kamer waarin die laser vasgemaak is en wat die hoofruimte is vir eksperimente wat daarmee verband hou. Die strale wat deur hierdie toestel gegenereer word, skep 120 pulse per sekonde, met elke puls wat 1/10000000000 van 'n sekonde duur.
- Kapillêre plasma-ontladingsmedium. In hierdie opstelling beperk 'n kapillêre etlike sentimeter lank, gemaak van 'n stabiele materiaal (bv. alumina), 'n hoë-presisie, sub-mikrosekonde elektriese puls in 'n laedrukgas. Die Lorentz-krag veroorsaak verdere kompressie van die plasma-ontlading. Daarbenewens word 'n pre-ionisasie elektriese of optiese puls dikwels gebruik. 'n Voorbeeld is 'n kapillêre neonagtige Ar8 + laser (wat straling op 47 genereernm).
- Teikenmedium van 'n soliede plaat - nadat dit deur 'n optiese puls getref is, gee die teiken 'n hoogs opgewonde plasma uit. Weereens, 'n langer "voorpuls" word dikwels gebruik om die plasma te skep, en 'n tweede, korter en meer energieke puls word gebruik om die plasma verder te verhit. Vir kort leeftyd kan 'n momentumverskuiwing nodig wees. Die brekingsindeksgradiënt van die plasma veroorsaak dat die versterkte puls van die teikenoppervlak wegbuig, aangesien die brekingsindeks by frekwensies bo resonansie afneem met die digtheid van die materie. Dit kan vergoed word deur veelvuldige teikens in 'n sarsie te gebruik, soos in die Europese X-straalvrye elektronlaser.
- Plasma opgewek deur 'n optiese veld - teen optiese digthede wat hoog genoeg is om elektrone effektief te tonnel of selfs 'n potensiële versperring te onderdruk (> 1016 W / cm2), is dit moontlik om 'n gas sterk te ioniseer sonder kontak met 'n kapillêre of teiken. Tipies word 'n kollineêre instelling gebruik om die pulse te sinchroniseer.
In die algemeen is die struktuur van hierdie meganisme soortgelyk aan die Europese X-straal-vrye elektronlaser.
